大型高爐爐前開鐵口機的設(shè)計與選型

惠 展，索 婷，李振明，馮 卓，劉 敏

(中鋼集團西安重機有限公司, 陜西 西安 710201)

0 前言

在大中型高爐出鐵廠，考慮到揭蓋機的布置以及設(shè)備的操作維護，通常都采用開鐵口機與液壓泥炮同側(cè)布置的方式。而大中型高爐鉆孔深度大，需要的鑿巖機能力強，故開鐵口機多采用穩(wěn)定性更高的高立柱式開鐵口機。爐前布置則多采用開鐵口機在上、液壓泥炮在下的布置形式。

在爐前布置時，開鐵口機需要滿足：開鐵口機回轉(zhuǎn)的過程中不與泥炮干涉，同時，在泥炮回轉(zhuǎn)的過程中不與開鐵口機干涉；開鐵口機回轉(zhuǎn)的運動軌跡不能與爐前的高爐立柱、風(fēng)口平臺立柱、頂吸、側(cè)吸、溝蓋等干涉；開鐵口機的待機位，要便于更換鉆桿及開鐵口機維護，也要便于泥炮裝泥和泥炮維護；當(dāng)兩個開鐵口機背對背布置時，避免設(shè)備干涉和便于設(shè)備維護。

在大中型高爐中，開鐵口機需要滿足開鐵口機深度和開鐵口時間。開鐵口機深度隨著高爐容積的增加而增加，2 000～6 000 m3高爐要求開鐵口機具有3 000～5 000 mm的鉆進(jìn)深度，打開鐵口時間要求3～5 min。

1 開鐵口機主機機型的設(shè)計和選擇

1.1 回轉(zhuǎn)機構(gòu)

1.1.1 運動軌跡分析

回轉(zhuǎn)機構(gòu)的功能是使開鐵口機的沖鉆機構(gòu)能夠往返于工作位和待機位。根據(jù)爐前布置的空間情況，確定回轉(zhuǎn)機構(gòu)運動軌跡的基本形式。就平面而言，運動軌跡通常為折疊縮放式或圓周回轉(zhuǎn)式；就立面而言，通常為平面回轉(zhuǎn)與斜面回轉(zhuǎn)兩種形式，如圖1所示。

圖1 平面運動軌跡比較

如圖1所示，折疊縮放式采用四桿機構(gòu)，沖鉆機構(gòu)從工作位到待機位的過程中有一個折疊的過程，其優(yōu)點在于能夠充分利用有限的空間。而圓周回轉(zhuǎn)式則采用轉(zhuǎn)臂與沖鉆機構(gòu)相固定，在設(shè)備回轉(zhuǎn)的過程中，始終保持相對固定，運動軌跡為圓周形式。其不足點在于回轉(zhuǎn)面積相對較大，而優(yōu)點在于剛性好，開鐵口的過程中，設(shè)備穩(wěn)定性好。故只要空間允許，應(yīng)先考慮采用圓周回轉(zhuǎn)式。

就立面而言，采用斜面回轉(zhuǎn)式時，轉(zhuǎn)臂與基礎(chǔ)座之間接觸面與水平面形成夾角，如圖2所示，斜面回轉(zhuǎn)可以從待機位到工作位一步到位，即在待機位時沖鉆機構(gòu)處于與水平面平行，便于更換鑿巖機、鉆桿等備件，而旋轉(zhuǎn)到工作位時，沖鉆機構(gòu)自然形成工作角度α(10°±2°)。采用平面回轉(zhuǎn)式時，轉(zhuǎn)臂與基礎(chǔ)座之間接觸面與水平面平行，水平回轉(zhuǎn)到工作位上方后需要通過傾斜油缸使沖鉆機構(gòu)達(dá)到工作角度。

圖2 立面運動軌跡比較

1.1.2 回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計

開鐵口機的回轉(zhuǎn)通常采用液壓馬達(dá)或液壓缸來驅(qū)動。液壓馬達(dá)帶動小齒輪，通過小齒輪帶動裝有大齒圈的轉(zhuǎn)臂完成任意角度的回轉(zhuǎn)；液壓缸驅(qū)動時，則回轉(zhuǎn)角度相對受限，通常為100°左右或160°左右。當(dāng)角度較小時，通常采用液壓缸來驅(qū)動轉(zhuǎn)臂完成回轉(zhuǎn)，即為直驅(qū)式，如圖3所示；當(dāng)角度較大時，通常采用液壓缸驅(qū)動肘板，通過與肘板向連的連桿帶動轉(zhuǎn)臂完成大角度回轉(zhuǎn)，即為六連桿式，如圖4所示。

圖3 直驅(qū)式回轉(zhuǎn)機構(gòu)

圖4 六連桿式回轉(zhuǎn)機構(gòu)

采用液壓馬達(dá)較液壓缸回轉(zhuǎn)式而言，在停機位存在較大的位置不準(zhǔn)確性。如圖5所示，無論采用哪種驅(qū)動方式，為了提高停位的準(zhǔn)確性，需要在回轉(zhuǎn)機構(gòu)兩個位置設(shè)計機械限位和緩沖。

圖5 機械限位和緩沖

1.2 沖鉆機構(gòu)

1.2.1 軌梁

大型開鐵口機需要較大能力的鑿巖機和大距離的鉆進(jìn)深度，而沖鉆機構(gòu)的軌梁作為鑿巖機打開鐵口的運動載體，通常設(shè)計為矩形截面以提高剛度。

為了在開鐵口機回轉(zhuǎn)的過程中迅速抬起沖鉆機構(gòu)，通常需要將連接回轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)臂和沖鉆結(jié)構(gòu)軌梁的吊掛點設(shè)置在軌梁的中間位置。

1.2.2 鑿巖機及馬達(dá)的選型

鑿巖機通常根據(jù)高爐級別的大小進(jìn)行選取。目前，鑿巖機根據(jù)沖擊功大小，主要有350 J、400 J、500 J等幾種規(guī)格，扭矩則基本在400～800 N·m。350 J應(yīng)用在1 800 m3高爐以內(nèi)；400 J應(yīng)用在3 200 m3高爐以內(nèi)；500 J應(yīng)用在3 200 m3高爐以上。在鑿巖機選取時多要求大功率和大扭矩；而在實際使用過程中，為了保證爐體和鉆孔效果，則多采用低功率、大扭矩的使用。在大型高爐上，普遍要求鑿巖機具有反打功能。

進(jìn)退馬達(dá)帶動鏈條來完成鑿巖機的前進(jìn)和后退。其送進(jìn)速度與沖擊、旋轉(zhuǎn)能力能否合理匹配直接影響著開鐵口的效率和效果。進(jìn)退馬達(dá)的送進(jìn)速度需要與鑿巖機的沖擊、旋轉(zhuǎn)同時實現(xiàn)多檔可調(diào)，實際操作時，可根據(jù)炮泥及爐況進(jìn)行選檔。為了保證設(shè)備的良好運行，進(jìn)退馬達(dá)需要“慢進(jìn)快退”，送進(jìn)速度為0.015～0.025 m/s，回退速度為1 m/s。

1.2.3 鉆桿扶持技術(shù)

大型高爐開鐵口深度大，為了提高鉆孔效果，大型開鐵口機需要配置鉆桿浮動托架。鉆桿扶持技術(shù)由固定鉆桿前端的鉆桿夾持機構(gòu)和鉆桿中間位的浮動托板機構(gòu)組成。在打開鐵口前后，浮動托板始終保證在鉆桿的中間位，給鉆桿提供腰部支撐作用。

2 液電控制技術(shù)

2.1 控制基本要求

同一個鐵口的設(shè)備之間應(yīng)設(shè)置互鎖功能，不能同時操作。不同鐵口之間的開鐵口機可以實現(xiàn)切換。

開鐵口機控制基本工藝順序要求：夾持鉆桿、轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)、(沖鉆機構(gòu)傾斜)、馬達(dá)送進(jìn)、鑿巖機工作；(打開鐵口后)馬達(dá)回退、(沖鉆機構(gòu)抬起)、轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)、夾持器打開(更換鉆桿)。

開鐵口機控制的基本功能要求：對回轉(zhuǎn)速度、開鐵口深度進(jìn)行檢測和控制；進(jìn)退馬達(dá)要求慢進(jìn)快退；鑿巖機前進(jìn)時先開旋轉(zhuǎn)后開振打功能，后退時開啟反打功能，并與旋轉(zhuǎn)一起工作；鑿巖機旋轉(zhuǎn)馬達(dá)可實現(xiàn)多檔可調(diào)；傾斜液壓缸(水平回轉(zhuǎn)式)和回轉(zhuǎn)液壓缸(斜面回轉(zhuǎn)式)要有安全性考慮；斜面回轉(zhuǎn)技術(shù)在開鐵口的過程中，需要回轉(zhuǎn)液壓缸有保壓功能；開鐵口時需打開氣霧吹掃功能等。

2.2 液壓系統(tǒng)

2.2.1 配置選擇

對于元器件品牌，泵和比例閥通常選擇力士樂產(chǎn)品。在功能上，主要從泵、閥和蓄能器三個方面進(jìn)行考慮。

液壓泵通常采用恒功率變量柱塞泵或恒壓變量柱塞泵。前者可以充分利用電動機的功率，能夠根據(jù)負(fù)載變化改變運動速度，實現(xiàn)低壓時大流量，高壓時小流量；后者可以保持系統(tǒng)壓力不變的情況下，更節(jié)約能源。

閥的選擇首先考慮是否采用邏輯控制閥，邏輯控制閥具有相互保險、消除斜波沖擊的功能，但成本高；其次從安裝形式上選擇插裝閥還是疊加閥，前者對閥與閥塊的安裝要求高，可根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行任意精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，后者則安裝簡單，無法精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

蓄能器的功能則是用來降低沖擊波、完成保壓和提供動力源。蓄能器分活塞式和皮囊式，如果只是為了吸收液壓系統(tǒng)的高頻沖擊波或完成設(shè)備保壓通常采用皮囊式蓄能器；對于電力不夠穩(wěn)定的地區(qū)，讓增加蓄能器站來提供動力源，實現(xiàn)停電時完成一次堵口或開口功能，那將優(yōu)選考慮使用分活塞式蓄能器。

另外，需要根據(jù)開鐵口機使用者所處的地理位置來考慮是否給油箱設(shè)置加熱器。

2.2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

大中型高爐爐前通常有3～4個鐵口，需要設(shè)置兩套液壓站(并互為備用)和兩組閥站。每套液壓站設(shè)三臺高壓主泵(兩用一備)和一套冷卻循環(huán)泵。

每組閥站設(shè)兩套閥臺，每套閥臺控制一個鐵口的爐前設(shè)備。開鐵口機的回轉(zhuǎn)液壓缸、進(jìn)退馬達(dá)和鑿巖機旋轉(zhuǎn)馬達(dá)都需要具有調(diào)速功能，故采用比例換向閥控制，而傾斜液壓缸、沖擊器和夾持液壓缸采用電磁換向閥控制；但為了實現(xiàn)沖擊器的沖擊力具有檔位調(diào)節(jié)功能、在沖擊器回路通常增設(shè)比例減壓閥，不同驅(qū)動機構(gòu)需要的壓力等級也不一致，故根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置減壓閥。傾斜液壓缸(水平回轉(zhuǎn)式)和回轉(zhuǎn)液壓缸(斜面回轉(zhuǎn)式)通過設(shè)置液壓鎖保證安全性。

2.3 電控系統(tǒng)

2.3.1 配置選擇

電控系統(tǒng)的配置主要從元器件品牌、操作方式、操作地點和控制系統(tǒng)的兼容性來考慮。

操作方式通常分為手動和自動兩種，前者多用于中小型高爐，而后者則多用于大中型高爐。自動方式又可以分為半自動和全自動。半自動方式的設(shè)備運行位置不需要用編碼器來精確反饋，而是通過設(shè)備運行總時間進(jìn)行理論化分段控制其速度調(diào)節(jié)。全自動方式，即可通過HMI或某個按鍵完成一鍵操作，需要編碼器精確反饋設(shè)備運行位置，根據(jù)編碼器的定位信息來確定閥門的開關(guān)和閥芯的開度大小。

操作地點分為遙控器操作、手動操作箱操作、主操作臺操作和HMI操作四種方式，前兩者都屬于機旁操作。

控制系統(tǒng)的兼容性需要考慮：控制系統(tǒng)是采用DCS系統(tǒng)(IT自動化系統(tǒng))或采用常規(guī)PLC系統(tǒng)(常規(guī)過程自動化系統(tǒng))，同時注意所選控制系統(tǒng)的品牌和使用者對該系統(tǒng)軟件熟悉運用情況、編程軟件產(chǎn)品版本以及開鐵口機控制系統(tǒng)是否需要并入高爐或煉鐵廠控制主系統(tǒng)等因數(shù)進(jìn)行綜合考慮。

2.3.2 遙控器和自動控制技術(shù)

采用編碼器來實時檢測開鐵口機的回轉(zhuǎn)角度，顯示旋轉(zhuǎn)位置并記錄其旋轉(zhuǎn)啟停位，并且開鐵口機的旋轉(zhuǎn)角度參與旋轉(zhuǎn)速度的控制，以實現(xiàn)開鐵口機與鐵口及停機位機械限位的軟接觸。同時，在小車進(jìn)退馬達(dá)一端設(shè)置編碼器裝置和小車前進(jìn)的油路上設(shè)置壓力檢測裝置；用以實現(xiàn)檢測開鐵口深度和開鐵口速度。

在液壓設(shè)備中用壓力、流量、溫度、液位等傳感器進(jìn)行檢測。對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后加入系統(tǒng)控制。控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)正常、調(diào)整、檢修、非常4個操作模式。

無線遙控系統(tǒng)可實現(xiàn)開鐵口機的緊急停車和手動操作。主操作臺可進(jìn)行設(shè)備選擇、模式選擇和手動操作、緊急停車。無論是遙控操作還是主操作臺操作，都可以實現(xiàn)開鐵口機的轉(zhuǎn)臂制動、轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)、鑿巖機旋轉(zhuǎn)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)、沖鉆機構(gòu)傾斜、小車制動、小車進(jìn)退、鑿巖機正/反打、鉆桿夾持、油霧潤滑、壓縮空氣吹掃、水霧化、液壓泵啟停和急停等功能。

3 自動作業(yè)技術(shù)

3.1 霧化動力技術(shù)

霧化動力技術(shù)可提高鑿巖機的工作效率和減輕爐前揚塵通常需要配備霧化動力系統(tǒng)。其主要功能為：對鑿巖機及鉆頭進(jìn)行吹掃冷卻；對鉆頭進(jìn)行水霧降塵；對鑿巖機內(nèi)部進(jìn)行油霧潤滑。

霧化動力系統(tǒng)原理如圖6所示，霧化動力系統(tǒng)設(shè)有水路、氣路和潤滑油路。由高壓泵、減壓閥、可調(diào)節(jié)流閥、電磁閥、油霧器等原件組成。系統(tǒng)可實現(xiàn)對霧化水、壓縮空氣在壓力、流量上可調(diào)。

圖6 霧化動力系統(tǒng)原理圖

霧化動力系統(tǒng)與配套的鑿巖機有著直接關(guān)系，根據(jù)鑿巖機潤滑形式確定是否需要油霧潤滑功能。同時霧化動力系統(tǒng)又是開鐵口機水鉆技術(shù)的必要系統(tǒng)，而水鉆技術(shù)在開鐵口機上以得到普遍應(yīng)用，成為常規(guī)功能選擇。因此在霧化動力系統(tǒng)的配置上，根據(jù)性價比也可選擇不同品牌的元器件。

3.2 開鐵口深度檢測技術(shù)

開鐵口深度檢測系統(tǒng)由絕度值編碼器及壓力變送器、PLC系統(tǒng)、智能顯示儀表三部分組成。通過安裝在進(jìn)退馬達(dá)一端的編碼器來檢測鉆進(jìn)深度，通過安裝在小車前進(jìn)油路上的壓力檢測信號檢測壓力變化來判斷是否打開鐵口，二者結(jié)合即可實現(xiàn)開鐵口機的深度檢測功能。

PLC控制軟件可通過人機界面直觀的顯示開鐵口機的鉆孔深度，具有信號遠(yuǎn)傳和數(shù)據(jù)記憶儲存功能。其應(yīng)用有利于精確掌握高爐爐況，節(jié)約鉆桿鉆頭的使用量，降低生產(chǎn)成本。

實際應(yīng)用中開鐵口機的深度通常通過開鐵口機軌梁上的機械標(biāo)尺進(jìn)行粗略檢測。在對自動化要求高的爐前設(shè)備，才會考慮增加開鐵口深度自動精確檢測技術(shù)。

3.3 換桿機技術(shù)

換桿機是用來代替爐前工更換鉆桿的設(shè)備。其基本形式有機械手式換桿機和機器人式換桿機。目前，在國內(nèi)個別大型高爐爐前有所應(yīng)用，但都不夠成熟。技術(shù)發(fā)展有待于進(jìn)一步探索，如何將可靠性、經(jīng)濟性和爐前布置相結(jié)合是最大的難點。

4 結(jié)束語

在大型高爐爐前，影響開鐵口機安全可靠、維護方便的因素很多，但設(shè)備的整體布置、結(jié)構(gòu)型式和控制技術(shù)的確定至關(guān)重要。而高爐爐前作業(yè)具有危險性高、作業(yè)環(huán)境差、勞動強度大的特點，自動化作業(yè)已成為必然趨勢。其應(yīng)用則有利于提高工作效率，實現(xiàn)爐前無人操作，是高爐爐前的發(fā)展方向之一。